Новости химической науки > Создана первая устойчивая гидроксид-проводящая мембрана

Многие химики знакомы с концепцией синтетических протон-проводящих мембран, таких как Нафион (Nafion), которые широко нашли широкое применение в различных электрохимических устройствах – сенсорах, батареях и электролитических ячейках.

Исследователям из группы Саймона Фрейзера (Simon Fraser University) из Университета Британской Колумбии разработали полимер на основе гидроксида бензимидазолия, который не только может применяться для транспорта гидроксид-ионов, но и не разрушается так быстро, как это делает большинство существующих мембран щелочного транспорта.

Работавший над проектом Стивен Холдкрофт (Steven Holdcroft) поясняет, каким образом гидроксид бензимидазолия и другие соли бензимидазолий-анион могут быть стабилизированы за счет стерической загруженности. Так, диалкилирование бензимидазола йодметаном приводит к образованию поли[2,2'-(м-метилен)-5,5'-бис(N,N'-диметилбензимидазолия)] в форме йодида, который за счет ионного обмена может быть без проблем конвертирован в гидроксидную форму. С учетом того, что до настоящего время устойчивые гидроксиды бензимидазолия не были известны, получение таких производных представляет собой значительный успех в стабилизации соединений за счет стерических факторов.

Щелочная мембрана может найти применение в новых топливных ячейках. (Рисунок из J. Am. Chem. Soc., 2012, DOI: 10.1021/ja303067tI)

Предварительные компьютерные расчеты позволяли предположить, что стерически загруженным, а следовательно, и стабильным будет мезитильное производное, в то время как атом углерода C2 в фенилзамещенном аналоге будет доступен к атаке, и, соответственно полимер с такими структурными звеньями не будет проявлять устойчивость. Изучение полученных полимеров методами ЯМР и ИК показало, что материал с алифатическим остатком действительно гораздо более устойчив и разлагается медленнее, чем ароматический.

Исследователи также сообщают о методе, позволяющем превращать образующиеся водорастворимые полимеры в нерастворимые в воде мембраны. Образование нерастворимых материалов происходит в результате кросс-сочетания, происходящего при отмывке избытка гидроксида калия и образовании ионных связей между отрицательно заряженными бензимидазолидными фрагментами и положительно заряженными бензимидазолиевыми циклами. Поученный таким способом материал может и сам найти применение в топливных элементах и других электродных устройствах, также информация, полученная при его синтезе, может оказаться полезной для разработки методов получения других родственных ему функциональных материалов с заданными свойствами.

Предварительное изучение свойств неоптимизированной мембраны показало, что ее удельная проводимость составляет от девяти до тринадцати миллисименсов на сантиметр. По словам исследователей, это близко типичным значениям, полученным для гидратированых мембран, таких как полиарилсульфоны с четвертичными аммонийными фрагментами или коммерчески доступные анионообменные мембраны на основе нафиона. Фрейзер предполагает, что оптимизация структуры мембран позволит увеличить значения удельной проводимости.

По словам Джеффри Коатса (Geoffrey Coates), специалиста по органическим функциональным материалам для электронных устройств, работа Фрейзера является важным шагом вперед в создании функциональных материалов. Самым замечательным обстоятельством, по его словам, является то, что полибензимидазолы весьма устойчивы – они не разрушаются и после десятидневного нагревания при 60°C в 2M KOH, что, наряду с высокой ионной проводимостью вполне позволит использовать новые материалы в качестве мембран для топливных ячеек и других электрических и электронных устройствах.

Источник: J. Am. Chem. Soc., 2012, DOI: 10.1021/ja303067tI

метки статьи: #новые материалы, #химия поверхности, #электрохимия